山區峽谷大跨度鐵路橋梁方案設計研究*

周 繼

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063； 2.中鐵建大橋設計研究院 武漢 430063)

隨著國家鐵路建設的蓬勃發展，我國修建山區鐵路的機遇越來越多。山區鐵路建設條件大多艱險困難，山高谷深，地形陡峻，地質復雜，交通不便。

山區鐵路橋梁一般墩高較高且差異大、跨度大，橋位受地質和環保因素控制的情況較多。而在橋式方案選擇上需綜合考慮鐵路橋梁剛度要求、施工便捷性、養護維修難易性和經濟性等因素，因此山區鐵路橋梁方案大多以梁橋和拱橋居多。

選擇合理的橋梁結構形式，將橋梁結構安全、列車運行安全、經濟指標有機結合，實現合理化設計具有重要的現實和發展意義。文中以甕馬鐵路北延伸線湘江特大橋(見圖1)為研究對象，探討山區峽谷大跨度鐵路橋梁[1]設計方案選型，為山區峽谷橋梁設計提供一定借鑒。

圖1 甕馬鐵路湘江特大橋效果圖

1 工程概況

甕馬鐵路北延伸線從在建甕馬鐵路甕安站引出，向北經過甕安縣，跨湘江進入遵義市，接入既有川黔鐵路閣老壩站，正線長99.63 km。湘江特大橋位于甕安縣與遵義交界處，工程處于黔北高原向黔中山丘過渡地帶，海拔高程一般為750～1 400 m，沿線地形復雜，橋址位于湘江河谷，屬于深切V形谷，地形條件復雜，山巒起伏，溝壑縱橫，兩岸岸坡陡峭，左岸自然坡度約65°，坡頂至坡腳高程為582.7～854.9 m，坡頂至坡腳水平距離約269.8 m；右岸自然坡度35°，坡頂至坡腳高程為478.4～817.6 m，坡頂至坡腳水平距離約508 m。兩岸地勢起伏較大，植被覆蓋，多為樹林、灌木及雜草，局部地區有基巖裸露，道路交通不便。

線路至峽谷底高差約277 m，水深50 m。兩岸穩定邊坡線角度分別為62°和27°。橋位處工程地理環境見圖2。

圖2 工程地理環境

橋區內表層為第四系全更新統沖洪積層淤泥質粉質黏土，下伏巖層由下第三系(E)鈣質角礫巖組成，基本承載力：σ0=1 500 kPa。

工程區域地震基本烈度為VI度，地震動峰值加速度為0.05g，動反應譜特征周期為0.35 s。

湘江航道標準現狀為V級，規劃IV級，百年一遇洪水位H1%=630.5 m。

2 主要技術標準

1) 鐵路等級：II級(貨運預留客運開行條件)。

2) 正線數目：單線。

3) 線路條件：直線、縱坡0.6%。

4) 設計行車速度：120 km/h。

5) 設計活載：ZKH荷載。

6) 設計洪水頻率：1/100。

7) 地震基本烈度：VI度。

3 橋梁方案設計

設計之初根據地質及線路平縱斷面情況，為合理利用橋址V形地形，提出一跨過江方案和雙主跨過江方案。一跨方案主跨425 m，可實現降低墩高同時橋墩基礎設置于兩岸岸坡穩定性以內；出于工程經濟性考慮，原則上盡量減少高墩[2]數量，同時避免水中立墩和不良地質區，提出雙主跨235～252 m方案。

橋梁設計應在滿足使用功能的前提下[3]，遵循“安全、適用、經濟、美觀、耐久，以及環保”六項原則；同時應結合工程實際，選用技術先進、經濟合理、施工方便可行的橋梁方案。山區鐵路橋梁主跨425 m跨度較大且地形陡峭，斜拉橋方案不合理，宜采用拱橋[4]方案；而主跨235 m的可選橋梁方案主要有：連續剛構橋、拱形V撐剛構橋、剛構斜拉橋。普通的連續剛構橋在200 m跨度范圍內經濟適用性較好，但本橋跨度達235 m，混凝土徐變不易控制，設計難度大，傳統的連續剛構橋方案不推薦采用。拱形V撐[5]剛構橋可有效降低墩高，提高橋梁縱向剛度的同時增大橋梁跨度，提升剛構橋在大跨度橋梁方案中的應用。

按照適用、經濟、安全和美觀的原則進行比選，最終提出136 m+2×252 m+136 m拱形V撐連續剛構、1×425 m上承式提籃拱橋、120 m+2×235 m+120 m剛構斜拉橋3種橋型，以下對各橋型方案分別進行設計研究。

3.1 V撐連續剛構方案

湘江特大橋墩高近200 m，此方案可有效降低墩高，提高橋梁縱向剛度的同時增大橋梁跨度，大大提升剛構橋在大跨度橋梁方案中的應用。

3.1.1結構體系

136 m+2×252 m+136 m V撐連續剛構為拱形V撐與梁體剛結而成的組合結構，為墩梁固結[6]體系，橋梁全長777.5 m，橋梁結構示意見圖3。

圖3 V撐連續剛構方案(單位：m)

3.1.2主要結構尺寸

1) 梁部。邊跨梁長136.75 m，空腹段長38 m，中跨跨度252 m，中主墩處梁高40 m，其中V撐上弦梁高7.5 m，上下弦凈距24.5 m，跨中梁高和邊墩梁高均為6 m，橋面布置見圖4。

圖4 V撐連續剛構方案主梁跨中橫截面示意圖(單位：m)

V撐上弦采用單箱單室截面，梁頂寬10.3 m，梁底寬8.3 m，頂板厚0.64 m，腹板厚1.12 m。V撐下弦采用矩形空心截面，頂板和底板均寬8.3 m，高8.0 m，頂板厚均為1.5 m，腹板厚1 m。

V撐范圍外梁部采用單箱單室截面，梁頂寬10.3 m，梁底寬8.3 m，跨中梁高6 m，在上下弦相交處梁高按拋物線過渡到15.941 m，頂板厚0.64 m，腹板厚0.4～0.64～0.86 m，底板厚0.58～1.5 m。

梁部在中主墩墩頂設置2道4 m厚橫隔墻，橫隔墻凈距6 m。橫隔墻與橋墩豎向貫通，將梁部荷載傳遞給橋墩。

2) 橋墩。左邊墩、中墩、右邊墩墩高分別為74，168，55 m。兩邊墩均采用雙肢薄壁空心截面，距墩頂30 m范圍兩肢凈距6 m，單肢等截面部分為順橋向4 m，橫橋向8.3 m，30 m范圍以下橫、縱向均按圓弧放坡；墩底縱橋向分別漸變為9，8 m，橫橋向分別漸變為13.3，12.3 m。中墩采用空心墩，距墩頂80 m范圍順橋向不放坡，橫橋向按1∶35放坡，為提高橋墩橫向剛度，中墩橫向分叉形成“人”字形橋墩，單肢墩底橫向尺寸6 m，縱向尺寸為20 m。

3) 基礎。中墩承臺尺寸為38 m(橫橋向)×31.5 m(縱橋向)×6 m，基礎采用30根3 m柱樁；邊墩承臺尺寸為25.2 m×25.2 m×6 m，基礎采用25根直徑2.5 m柱樁。

3.1.3施工方案

1) 橋墩基礎。基礎采用挖孔樁基礎，墩身采用爬模施工，3座橋墩同時施工。

2) 梁部。V撐處設置臨時扣索，V撐上弦按支架施工，主梁采用掛藍施工，主梁邊直段采用支架現澆。

3) 橋面合龍，施工橋面系。

4) 動靜載實驗及竣工驗收。

3.1.4主要計算結果

V撐連續剛構方案有限元模型見圖5。

圖5 V撐連續剛構方案有限元模型圖

經計算，V撐連續剛構方案計算結果如下。

1) 位移及轉角。靜活載作用下邊跨最大撓度值-22.4 mm，為跨度的1/6 071，中跨最大撓度值-55.3 mm，為跨度的1/4 557；最大梁端轉角為0.08%；在列車橫向搖擺力、風力和溫度力的作用下，梁體橫向撓跨比為1/2 290。

2) 主梁應力。最大壓應力15.47 MPa，最小壓應力為0.25 MPa。

3) 橋墩應力。墩頂壓應力8.23 MPa，墩底壓應力16.8 MPa。

3.2 上承式提籃拱方案

3.2.1結構體系

采用提籃式上承式鋼桁-混凝土結合拱橋(見圖6)，拱肋計算跨度L=425 m，拱肋矢高f=123 m(拱平面內)，矢跨比f/L=1/3.455。拱上梁跨布置為：2×90 m T構+5×24.0 m簡支梁+1×32 m簡支梁+5×24.0 m簡支梁+2×90 m T構。

圖6 上承式提籃拱方案(單位：m)

3.2.2主要結構尺寸

1) 主拱圈構造。拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數m=1.69，主拱結構由2根拱肋與橫向聯接系組成(見圖7)，拱肋橫向內傾角為5.02°，拱肋中心距在拱頂為10.0 m，在拱腳為31.6 m。

圖7 上承式提籃拱方案主拱圈平面示意圖(單位：m)

單片拱肋由箱形弦桿組成，箱形截面肋寬0.8 m，肋高1.0 m，2片拱肋之間通過共用箱形截面頂、底板聯結，上弦桿共用頂板結合0.5 m高混凝土，下弦桿通過共用底板結合0.5 m高混凝土。拱腳處拱肋高13.4 m，弦桿中心距11.9 m，拱頂處拱肋高度8.47 m，拱肋中心距7.47 m，拱肋高度按李特規律變化，截面慣性矩從拱頂至拱腳逐漸增大。主桁為N形桁架，節間水平投影長度8.0 m。

拱肋在靠近拱腳長度64.5 m范圍內(水平距離)為實腹段，上、下弦桿采用H形截面通過混凝土外包形成勁性骨架混凝土箱形截面，其余部分采用箱形弦桿上下層結合混凝土的鋼桁-混凝土結合截面。

箱形弦桿高度0.8 m，高1.0 m，頂底板板厚40 mm、腹板板厚32 mm，縱向頂、底、腹板均設置1道加勁肋，加勁肋板厚16 mm。H形弦桿翼緣板厚20 mm，腹板板厚24 mm。

拱桁腹桿為H形和箱形截面，在設置拱上立柱處豎腹桿截面，采用452 mm×736 mm的箱形截面，板厚24 mm；一般腹桿截面采用H形截面，翼緣板厚16 mm、寬450 mm，腹板高736 mm、厚度16 mm；在設置拱上立柱處斜腹桿截面有所加強，翼緣板厚24 mm、寬450 mm，腹板高736 mm，厚度24 mm。

橫聯截面均采用H形截面，翼板寬450 mm，總高500 mm，翼板、腹板厚16 mm。

平聯采用H形截面，翼板寬450 mm，總高500 mm，翼板、腹板厚24 mm。

2) 拱上立柱構造。拱上立柱采用鋼桁架墩，墩高1.98～40.8 m。立柱采用箱型截面，傾斜角度與拱肋一致。立柱橫橋向截面內寬1 200 mm，順橋向截面內側高度2 000，2 500 mm，立柱板厚28，44 mm。橫橋向2根立柱間設置 “×”形橫聯。立柱在其底部通過節點板和拱肋栓接形成固結體系。立柱橫梁采用箱型截面，高度1 000 mm、寬1 200 mm，板厚24，32 mm。橫梁上設加勁板及墊板以便后期更換支座進行頂梁。

3) 剛構墩。剛構墩為矩形空心墩，小、大里程交界墩墩高分別為112，115 m。小里程側墩頂縱橋向寬度7.5 m，橫橋向寬度4.2 m，墩底縱橋向寬度7.5 m，橫橋向寬度10.6 m，矩形截面壁厚1.5～3.0 m，實體段長5.0 m；大里程側墩頂縱橋向寬度7.5 m，橫橋向寬度4.2 m，墩底縱橋向寬度7.5 m，橫橋向寬度7.77 m，矩形截面壁厚1.5～3.0 m。

4) 梁部結構。拱上建筑為2×90 m T構+5×24 m簡支梁+32 m簡支梁+5×24 m簡支梁+2×90 m T構，其中2×90 m梁部采用預應力混凝土T構。

5) 主拱基礎。主拱基礎采用擴大基礎，拱座縱橋向長27.80 m，橫橋向長42.2 m。

3.2.3施工方案

1) 邊坡防護、施工拱座基礎。

2) 施工兩岸扣塔、錨碇等大型臨時結構，爬模施工交界墩。

3) 主拱圈采用斜拉扣掛法吊裝。

4) 剛構懸臂澆筑、拱上立柱吊裝架設，預制架設拱上簡支梁。

5) 動靜載實驗及竣工驗收。

3.2.4主要計算結果

1) 位移及轉角。靜活載作用下撓跨比為1/5 789，梁端轉角為0.18%；橫向力作用下，梁體橫向撓跨比為1/2 009。

2) 主拱圈應力。鋼材最大壓應力為173 MPa，混凝土最大壓應力為18.5 MPa。

3.3 剛構斜拉橋方案

3.3.1結構體系

主橋采用120 m+2×235 m+120 m高低塔[7]剛構斜拉橋(見圖8)，為塔墩梁固結體系，主橋全長711.7 m。邊墩采用雙肢薄壁結構降低橋墩剛度，提升長聯大跨橋梁溫度力和地震力的適應性；中墩采用空心高墩，提高結構強度和剛度。

圖8 剛構斜拉橋方案(單位：m)

3.3.2主要結構尺寸

1) 主梁。邊跨直線段及中跨跨中截面最低點處梁高為6.5 m，邊、中墩處截面最低點處梁高為12.5 m，截面梁高按圓曲線變化。箱梁頂面寬10.3 m(見圖9)，橋塔處加寬至11.5 m，斜拉索采用箱外錨固形式。

圖9 剛構斜拉橋方案主梁橫截面示意圖(單位：m)

箱梁橫截面為單箱單室直腹板截面，頂板厚64 cm，腹板厚分別為50，75，100 cm，底板厚由跨中的50 cm按圓曲線變化至中支點梁根部的135 cm，中墩支點處局部加厚到250 cm；全橋共設10道橫隔梁，分別設于邊墩、中墩支點、邊直段支點和中跨跨中。邊直段支點處分別設置厚1.5 m橫隔梁，跨中合龍段設置厚0.8 m的中橫隔梁，兩側邊墩處設置2道橫隔板厚分別為2.5 m和 2.0 m，中心間距分別為9.5 m和10 m，中墩處設置2道厚3.0 m橫隔板，中心間距6.5 m。全梁共設50道半橫梁，高度為2.02 m，寬度為0.66～1.0 m，位置與斜拉索下錨固端位置一一對應。

2) 橋塔。索塔采用雙柱式橋塔[8]形式，中塔橋面以上塔高45 m，邊塔橋面以上塔高35.5 m。為適應分絲管索鞍，塔柱采用矩形實體截面，橋塔順橋向呈現拱形，邊塔最寬12 m，中墩最寬16 m，橫橋向寬2.5 m，四周設25 cm圓弧。在墩塔梁固結處橋塔分叉為2個獨立塔柱。

3) 斜拉索。斜拉索采用單絲涂覆環氧涂層鋼絞線拉索體系，外套HDPE，平行雙索面體系。斜拉索梁上間距9.0 m，與主梁采用成品梁端錨具形式，主梁內設置錨固梁，張拉端設置在梁上。斜拉索在塔端采用分絲管索鞍貫通，間距為1.1 m。斜拉索規格為55-7φ5 mm、43-7φ5 mm 2種，索端水平夾角最小為19.64°，斜拉索采用單根張拉。

4) 橋墩、承臺、樁基。3座橋墩高度分別為80.5，164.5，53.5 m，兩邊墩采用鋼筋混凝土矩形雙肢薄壁式柱墩，縱向寬度分別為2.5，2.0 m，雙肢中心距為9.5，10 m，墩底加寬至5.7 m；承臺順橋向×橫橋向×厚度為17.4 m×26.6 m×6.0 m，樁基礎均采用24根直徑2.2 m鉆孔柱樁，行列式布置，樁中心距為4.6 m。中墩采用鋼筋混凝土矩形空心墩，縱向寬度16 m，橫橋向寬度11.5 m漸變30 m；承臺順橋向×橫橋向×厚度尺寸為31.5 m×37.5 m×8.5 m，樁基礎均采用30根直徑2.8 m鉆孔柱樁，行列式布置，樁中心距6.0 m。

3.3.3施工方案

1) 橋墩基礎。施工樁基礎、承臺、墩身、頂帽。

2) 爬模施工塔柱。

3) 掛籃懸澆施工主梁，同時掛設對應節段的斜拉索，在邊直段搭設支架或墩頂托架。

4) 橋面合龍，施工橋面系。

5) 動靜載實驗及竣工驗收。

3.3.4主要計算結果

剛構斜拉橋方案有限元模型見圖10。

圖10 剛構斜拉橋方案有限元模型圖

經計算，剛構斜拉橋方案計算結果如下。

1) 位移及轉角。靜活載作用下邊跨最大撓度值-18.0 mm，為跨度的1/6 667，中跨最大撓度值-75.0 mm，為跨度的1/3 133；最大梁端轉角為0.06%。在橫向力作用下，梁體的橫向撓跨比1/3 809，橫向振動基頻0.314 1 Hz；水平彎曲引起的最大轉角為0.03%，水平曲線半徑為111 882 m。

2) 梁部應力。最大壓應力為14.19 MPa，最小壓應力為0.16 MPa。

3) 橋墩應力。墩頂壓應力15.99 MPa(邊墩)，墩底壓應力9.52 MPa(邊墩)；墩頂壓應力6.59 MPa(中墩)，墩底壓應力7.91 MPa(中墩)。

4) 斜拉索應力。最大拉應力908 MPa，最小拉應力832 MPa，安全系數按2.0控制。

4 橋梁方案比選

上述3個橋梁方案均通過結構計算，方案安全可行。表1從施工難易程度、工期、造價、景觀等方面對各方案進行比選。

表1 橋梁方案比選表

綜上所述，方案一采用拱形V撐構造復雜、施工難度大；方案二施工困難，鋼結構維修難度大，施工工期長且造價高，故最終推薦120 m+2×235 m+120 m剛構斜拉橋方案。湘江特大橋為國內聯長最長的鐵路部分斜拉橋，主墩164.5 m為世界最高鐵路橋墩，目前本橋正在施工中。

5 結語

通過對甕馬鐵路北延伸線湘江特大橋橋梁方案進行充分的技術經濟比較，3個橋梁方案均是合理的可行方案。結合本橋建設條件，相對而言剛構斜拉橋在鐵路領域運用成熟，施工方便且風險較小，具有較強的技術先進性和良好的經濟性，優勢較為明顯。